Mikrostrukturdesign, Herstellung und Oxidations-/Ablationsverhalten neuartiger C/C-Composite modifiziert durch polymerabgeleitete ultrahoch-temperaturstabile Keramiken

• Antragsteller: Professor Ralf Riedel
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448945163

Das Projekt zielt darauf ab, leichte, oxidations- und ablationsbeständige C/C-Verbundwerkstoffe mit hoher Zuverlässigkeit und Selbstheilung für Anwendungen bei ultrahohen Temperaturen (> 2000 °C) als thermische Schutzsysteme in der Luft- und Raumfahrt zu entwickeln. Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe weisen ausgezeichnete thermomechanische Eigenschaften in Schutzatmosphären auf, während sie bei der Anwendung unter Luft und Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen stark unter oxidativer Korrosion und Ablation leiden. Um das Korrosionsproblem von C/C-Leichtbauwerkstoffen zu überwinden, sollen die C/C-Matrix und ihre Schutzschichten durch Ultrahochtemperaturkeramiken (UHTCs) enthaltende polymerabgeleitete Keramiken (PDCs) modifiziert werden. Geeignete molekulare PDC-UHTC-Vorläuferverbindungen werden zunächst synthetisiert und mittels Simulation an das C/C-System im Hinblick auf chemische Hochtemperaturkompatibilität optimiert und angepasst. Zur Matrixmodifikation der Verbundwerkstoffe wird ein poröses C/C-Skelett zur Infiltration der UHTC-Precursoren hergestellt. Nach Infiltration der Precursoren und anschließender Wärmebehandlung wird ein mit PDC-Nanokompositen (PDC-NCs) modifiziertes C/C-Substrat erhalten. Zur Beschichtung wird eine Gradientenstruktur bestehend aus Harz und dem Keramikprecusrsor aufgebracht. Nachfolgende Si-Dampfinfiltration führt durch Reaktion mit dem Restkohlenstoff zur Ausbildung einer PDC-NCs-SiC-Verbundbeschichtung. Die grundlegenden Forschungsarbeiten zur Herstellung PDC modifizierter oxidations- und ablationsresistenter C/C-Verbundwerkstoffe und deren Schutzschichten konzentrieren sich auf die Zusammensetzung, die Verarbeitung, die Kontrolle der Mikrostruktur und die Betriebsstabilität der Materialien. Folgende grundlegende Untersuchungen werden durchgeführt: (1) Für den Einsatz oberhalb von 2000 °C werden sowohl First-Principle-Berechnungen als auch Finite-Elemente-Simulationen angewandt, um UHTC modifizierte C/C-Verbundwerkstoffe in Kombination mit einem Schutzschichtsystem hinsichtlich der Auswahl der Zusammensetzung, der Kompatibilität und der sich ausbildendenden Mikrostruktur zu analysieren. (2) Basierend auf den Ergebnissen der oben genannten Materialmodellierung werden systematische Untersuchungen zur Synthese der chemisch modifizierten PDC-NCs durchgeführt. Insbesondere werden Ultrahochtemperaturkeramiken wie Metallkarbide oder -nitride und deren Mischsysteme auf Basis von Zr-, Hf- und Ta untersucht, die als Nanophasen in eine polymerabgeleitete SiC- oder SiCN-basierte Matrix eingebettet sind. Darüber hinaus werden die Zusammensetzung und die Grenzfläche zwischen C/C-Substrat und Beschichtung einschließlich mehrphasiger Hetero-Grenzflächen und Morphologien sowie die thermische Stressverteilung ermittelt. (3) Schließlich erfolgt eine detaillierte Analyse der Beziehung zwischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Oxidations-/Ablationsbeständigkeit unter gekoppelter thermischer Sauerstoffumgebung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Qiangang Fu, Ph.D.